不锈钢的固溶渗氮技术毕业论文

1、 . . . 毕业设计（论文）摘要不锈钢从20世纪初发明至今不足百年的时间，但其发展和应用的势头却异常迅猛。特别是从20世纪60年代末以来，全世界不锈钢的产量基本保持年均4的增长率，不锈钢的应用范围逐步扩大到了国民经济的各个领域。不锈钢之所以能得到如此迅猛的发展，一个重要的因素是其具有耐蚀、耐热性。不锈钢热处理工艺的优劣对不锈钢的耐蚀、耐热性有很大影响，而且对不锈钢的加工性能起着决定性的作用。因此，不锈钢的热处理工艺在不锈钢的生产过程中一直处于十分重要的地位。奥氏体不锈钢的高塑性、高耐蚀性、良好的焊接性能、韧性和和低温韧性、无磁性、易加工的优点,使其在石油、化工、食品与医药等行业得到广泛的应用

2、.但由于奥氏体不锈钢的硬度偏低、耐磨性较差,使用受到一定的限制。为了提高奥氏体不锈钢的硬度和耐磨性,应用较多的是对奥氏体不锈钢表面进行氮化处理。传统的不锈钢氮化工艺虽然提高了不锈钢的硬度,却在氮化层中析出了氮化物,由于氮化物在奥氏体晶界择优生长,消耗了铬,导致奥氏体基体中的铬减少,结果使不锈钢的耐蚀性下降采用固溶渗氮工艺不但提高了奥氏体不锈钢的硬度和耐磨性,而且提高了其耐蚀性能。关键词： 不锈钢 固溶渗氮 硬度 耐磨性Title： Stainless steel solid solution nitriding Abstract：Stainless steel from the beginni

3、ng of the twentieth Century invention has less than a hundred years, but its development and application of the momentum very quickly. Especially from the nineteen sixties since the end of the world, stainless steel production base to maintain an average annual growth rate of 4%, the application of

4、stainless steel is gradually extended to all areas of the national economy. Stainless steel can be so swift and violent development, an important factor in its corrosion resistance, heat resistance. Stainless steel heat treatment process the quality of stainless steel corrosion resistance, heat resi

5、stance have great influence on the processing of stainless steel, but also plays a decisive role in the performance. Therefore, stainless steel heat treatment technology in stainless steel production process has been in a very important position.Austenitic stainless steel with high plasticity, high

6、corrosion resistance, good welding performance, toughness and low temperature toughness, non-magnetic, easy processing advantages, so that in the petroleum, chemical, food and pharmaceutical industries are widely used. But due to low hardness, wear resistance of austenitic stainless steel is used, s

7、ubject to certain restrictions. In order to improve the hardness and wear resistance of austenitic stainless steel, is widely applied on the surface of austenitic stainless steel nitriding. The traditional stainless steel nitriding process can improve the hardness of stainless steel,but in the nitri

8、de layer precipitated nitride, nitride at austenite grain boundaries due to preferential growth, consumption of chromium, lead in austenite matrix of chromium decreased, the results made of stainless steel corrosion resistance decreased by solid solution nitriding of austenitic stainless steel will

9、not only improve the hardness and wear resistance, but also improve its corrosion resistance.Keywords : Stainless steel Solid solution nitriding Hardness Wear resistance38 / 38目录1 绪论···················

10、3;····································61.1 不锈钢材料简介···········

11、3;··································61.1.1 不锈钢的分类·············

12、83;·································71.1.2 不锈钢的主要作用··············

13、·····························81.2 不锈钢热处理特点···················

14、;·························81.2.1 奥氏体不锈钢······················

15、3;························91.2.2 铁素体不锈钢·······················

16、83;·······················101.2.3 马氏体不锈钢························&

17、#183;······················101.2.4 沉淀硬化型不锈钢························

18、83;··················111.3 论文的目的和意义·····························&

19、#183;·················122 奥氏体不锈钢固溶渗氮······························

20、;··········122.1 试验材料与方法·····································

21、3;·······122.2 试验结果与分析········································

22、83;····142.3 显微硬度············································

23、;·······162.4 氮浓度分布·········································

24、········162.5 X射线分析········································&

25、#183;·········182.6 极化曲线······································

26、83;············192.7 试验结论····································

27、;···············193 渗氮温度对奥氏体不锈钢性能的影响····························203.1 试验材料与方法·&#

28、183;···········································203.2 试样表征····

29、3;··············································213.3 结果与讨论··

30、;···············································214 不锈钢固溶渗氮·

31、·············································244.1 固溶渗氮工艺原理··

32、3;········································244.2 心部和表面层显微组织的关系······

33、83;··························254.3 最佳合金成分确定·····················&

34、#183;·····················264.4 工业固溶渗氮··························&

35、#183;····················275 渗氮温度对3Cr13不锈钢表面渗氮层组织和性能的影响············275.1 试样制备与试验方法·········

36、3;·······························285.2 试验结果与讨论················

37、83;····························28结论·····················

38、;·······································35致··········&#

39、183;·················································36

40、参考文献·················································&#

41、183;······371 绪论金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。固溶渗氮是1993年在Wiesbaden的热处理学术研讨会上作为不锈钢表面改性新工艺提出来的。目前已完成了实验和理论两方面的研究。淬火后奥氏体区的表面层中是富含氮的固溶渗氮工艺参数为：渗氮温度在11001150之间；氮气分压PN在1043×105Pa之间；扩散

42、时间为24h，渗氮层深度d为2.5rmm。传统的不锈钢渗氮工艺，一般采用的温度为500 6OO。保温时间为2550 h，所得的渗氮层深度为0.10.3 mm。为提高渗氮层深度，就必须提高温度，加快扩散，井延长渗氮时间。但提高温度，渗氮速度加快，又会使表面层的硬度有所下降。因此渗氮层浅一直是渗氮工艺中存在的问题。而固溶渗氮很好地解决了这一问题，在1 1001150温度下使渗氮层达2.5 mm。若不锈钢中的奥氏体不稳定，在淬火过程中转变为马氏体，那么固溶渗氮和传统的渗氮工艺有很大的差别，而是与表面淬火更接近。然而根据合金的成分，淬火后也能得到高强度的奥氏体表面层。高硬度的马氏体表面层对不锈钢轴承、

43、工具和齿轮很有利；而高强度和韧性的奥氏体表面层可提高不锈钢件(如液流机械中的泵和阀门等)的耐空气和液体的腐蚀性。11 不锈钢材料简介不锈钢（Stainless Steel）指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢，又称不锈耐酸钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。不锈钢基本合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。1.1.1 不锈钢的分类不锈钢常按组织状态分为：马氏体

44、钢、铁素体钢、奥氏体钢与沉淀硬化不锈钢等。另外，可按成分分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。铁素体不锈钢：含铬12%30%。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高，耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构与作抗氧化钢使用。这类钢能抵抗大气、硝酸与盐水溶液的腐蚀，并具有高温抗氧化性能好、热膨胀系数小等特点，用于硝酸与食品工厂设备，也可制作在高温下工作的零件，如燃气轮机零件等。奥氏体不锈钢：含铬大于18%，还含有 8%左右的镍与少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。

45、奥氏体不锈钢的常用牌号有1Cr18Ni9、0Cr19Ni9等。0Cr19Ni9钢的wC<0.08%，钢号中标记为“0”。这类钢中含有大量的Ni和Cr，使钢在室温下呈奥氏体状态。这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性能，在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好，用来制作耐酸设备，如耐蚀容器与设备衬里、输送管道、耐硝酸的设备零件等。奥氏体不锈钢一般采用固溶处理，即将钢加热至10501150，然后水冷，以获得单相奥氏体组织。奥氏体铁素体双相不锈钢：兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18%28%，Ni含量在3%10%。

46、有些钢还含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475脆性以与导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。马氏体不锈钢：强度高，但塑性和可焊性较差。马氏体不锈钢的常用牌号有1Cr13、3Cr13等，因含碳较高，故具有较高的强度、硬度和耐磨性，但耐蚀性稍差，用于力学性能要求较高、耐蚀性能要求一般的一些零件上，如弹簧、汽轮机叶片、水压机阀等。这类

47、钢是在淬火、回火处理后使用的。1.1.2 不锈钢的主要作用不锈钢不易产生腐蚀、点蚀、锈蚀或磨损。不锈钢还是建筑用金属材料中强度最高的材料之一。由于不锈钢具有良好的耐腐蚀性，所以它能使结构部件永久地保持工程设计的完整性。含铬不锈钢还集机械强度和高延伸性于一身，易于部件的加工制造，可满足建筑师和结构设计人员的需要。 1.2不锈钢的热处理特点不锈钢从20世纪初发明至今不足百年的时间，但其发展和应用的势头却异常迅猛。特别是从20世纪60年代末以来，全世界不锈钢的产量基本保持年均4的增长率，不锈钢的应用围逐步扩大到了国民经济的各个领域。不锈钢之所以能得到如此迅猛的发展，一个重要的因素是其具有耐蚀、耐热性

48、。不锈钢热处理工艺的优劣对不锈钢的耐蚀、耐热性有很大影响，而且对不锈钢的加工性能起着决定性的作用。因此，不锈钢的热处理工艺在不锈钢的生产过程中一直处于十分重要的地位。不锈钢的热处理是为了改变其物理性能、力学性能、残余应力与恢复由于预先加工和加热受到严重影响的抗腐蚀能力，以便得到不锈钢的最佳使用性能或者使不锈钢能够进行进一步的冷、热加工。所谓的热处理就是针对不同组织、不同类型的不锈钢进行相应的退火、淬火与回火、正火等处理。不锈钢是一种特殊的钢种，钢中的镍、铬含量很高，由于镍、铬等合金化元素的存在，其热处理具有普通钢热处理所不具备的特点：加热温度较高，加热时间也相对较长；不锈钢的导热率低，在低温时

49、温度均匀性差；奥氏体型不锈钢高温膨胀较严重；炉气氛控制很重要，要防止出现渗碳、渗氮与脱碳和过氧化现象；不锈钢的表面光泽对产品的使用与价格有决定性的影响，热处理时产生的氧化铁皮，将严重影响表面光泽；要确保避免不锈钢表面的划伤：热处理时产生变形。不锈钢按其组织可以分为奥氏体、马氏体和铁素体三类（此外还有沉淀硬化型、铁素体奥氏体型等），这三类不锈钢的热处理无论是处理方法还是目的都不尽一样。1.2.1奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢的代表钢种是18-8钢（304），因为是奥氏体组织，所以具有无磁性且没有淬硬性等特点。由于该钢种不发生相变，其热处理就是加热到高温（一般在1000以上），奥氏体再结晶的同时，使在加

50、工中产生的碳化物。相分解物固溶到奥氏体中，然后快速冷却，使碳呈固溶状态的奥氏体保持到常温，这处理过程即为固溶处理。奥氏体不锈钢加热温度主要是依据碳化物的固熔速度而确定的，有资料指出像304钢的碳化物在1065时固溶需要3分钟，在1176需要1.5分钟，在1000则需要长达10分钟。从这个角度而言，加热温度越高越好，但加热温度偏高同时又可能引起晶粒过分长大、氧化铁皮增厚等缺陷。因为奥氏体型不锈钢无法通过相变来细化晶粒，如果晶粒过大，会使材料的抗拉强度明显下降。就加热时间而言，不锈钢的导热率低（特别是在低温时），升到高温后（700800）导热率才有提高。所以，对于断面大的奥氏体不锈钢都需要预热到7

51、00800，然后再快速升温，对于断面小的奥氏体不锈钢（如带钢）如果升温速度过慢，碳化物会充分析出，就会导致固溶时间过长，美国阿姆科公司曾制定过一个经典的加热时间表（见表3-1、表3-2）。 表3-1奥氏体不锈钢固溶处理保温时间厚度，mm1.61.6-3.23.2-12.712.7-25.425.4保温时间，min515306060表3-2奥氏体不锈钢固溶处理加热时间工作直径或厚度，mm到固溶化的升温时间在固溶化温度的保温时间6.351/2h1020min6.35-<25.43/4h0.5h25.4-<511.25h0.5-<1h51-<761.75h0.5-<1h

52、76-<1002.25h0.5-<1h为防止已固溶的碳化物析出，冷却速度也很重要，特别是在600700时，碳化物析出较多而发生敏化，所以必须进行快速冷却。由于奥氏体不锈钢导热率低，对于断面较大的材料，无论怎样快冷，中心部位的冷却程度仍然很慢，往往因碳化物析出较多而发生敏化。所以在实际生产中，断面较大的材料一般考虑采用加入Ti、Nb等元素的稳定化奥氏体不锈钢，因为Ti、Nb等元素对碳亲和力较大，这类稳定化奥氏体不锈钢（如 321、347等）可以不需要水淬或其它快速冷却措施进行快冷。1.2.2 铁素体不锈钢铁素体不锈钢是以铬为主要合金元素，其含量为1230Cr。此类钢为单相组织，没有相

53、变，具有强磁性。其典型的代表钢种是430。美国在60年代以降低不锈钢成本为目标开发的廉价不锈钢种409，广泛地应用于汽车、摩托车的消音器和下水管道等，也是属于铁素体钢。该钢种无淬透性，同奥氏体钢一样不能通过热处理使其硬化，而且由于加热引起的晶粒长大比奥氏体钢既快且晶粒度又大。因此在热处理时为避免晶粒长大以与发生奥氏体相变，加热温度不宜过高，般退火最高加热温度不超过850。表3-3为铁素体不锈钢的参考退火温度。表3-3铁素铁不锈钢的参考退火温度中国 GB 4237美国 AISI ASTM日本 JIS-G 4303退火温度，1Cr17430SUS 43075085000Cr12410LSUS 41

54、0L7008200Cr13Al405SUS 4057808301Cr15429SUS 4297808501Cr17Mo434SUS 434780850铁素体不锈钢在退火处理时，一定要缩短在370550温度围的停留时间，特别是对于高铬的铁素体不锈钢。材料如果在此温度围停留时间过长，很容易发生475脆性现象，即硬度增高，延伸率大幅下降，甚至为零，同时材料的耐蚀性也降低。有实验表明：27Cr钢在475加热 100小时后，材料在常温时的抗拉强度增加50，屈服强度增加l50，而延伸率为零。此外该钢种的焊接性能差（焊缝热影响区晶粒粗大且脆）。1.2.3 马氏体不锈钢马氏体不锈钢同前两种不锈钢的特性明显不同

55、，顾名思义，就是从高温奥氏体状态快冷（淬火）转变成马氏体组织而成的。这类不锈钢有明显的相变点，可以通过淬火而硬化。而且因其含铬高，淬透性好，回火时可以在较大围调整其强度和韧性，因此，马氏体不锈钢既可以作结构钢用，也可以作工具钢。马氏体不锈钢作为工具钢用时，处于淬火状态。为进行淬火，必须加热升温到临界点以上，以便碳化物固溶到奥氏体中。在升温使碳化物固溶时，因碳扩散速度较慢，为得到均匀的奥氏体组织，力口热温度一般要比临界点温度高50以上，而且还必须有一定的保温时间，以便使碳化物充分、均匀溶解。当然，加热时间过长、加热温度过高会造成马氏体组织不均匀，残余奥氏体组织增多，从而使材料部因膨胀差而产生应力

56、。马氏体钢是热裂纹敏感性钢种，该钢种在低温时导热率低，快速加热时极易产生裂纹，因此在处理大断面材料时，应该先预热，然后再快速升温。在作结构钢用时，应在淬火的基础上进行回火（调质状态）。马氏体不锈钢有回火脆性，回火温度一般不应低于580。从回火温度冷却时，为避免回火脆性一般采用油冷；有时为了得到较高的屈服极限，也可以采用空冷，但这时结构钢的一个重要力学指标冲击值会下降。需注意的是马氏体不锈钢在淬火后，应尽快回火，如不能尽快回火，材料易产生裂纹。1.2.4沉淀硬化型不锈钢奥氏体、铁素体、马氏体三类不锈钢虽然应用面较广，但作为结构钢使用，还存在着一些难以克服的缺陷。奥氏体型不锈钢屈服强度较低，只有2

57、00N/mm2左右，不宜作为结构钢使用；而马氏体不锈钢虽然可以通过淬火、回火等热处理形式获得较高的屈服强度，但其耐蚀性较差。对于那些要求最佳抗蚀性能与最大强度的用途，开发出了新型的CrNi不锈钢沉淀硬化型不锈钢（也称PH不锈钢）。这种新型不锈钢的热处理包括均匀化、完全退火、固溶热处理、时效处理和转变冷却。其特点是：完全退火状态较软，易于再加工。通过适当的时效处理可获得要求的力学性能。具有与同类不锈钢一样的耐蚀性，提高了抗应力腐蚀断裂的性能。转变冷却适用于低于某温度的冷却。常用的沉淀硬化型不锈钢是马氏体型，其代表钢种是631（0Crl7Ni7A1）。该钢种的热处理是先进行固溶处理，在材料加热到1

58、0001100后快冷，然后根据不同的力学性能要求，在不同温度下进行时效处理，如621、565、510时效。1.3 论文的目的和意义不锈钢的固溶渗氮技术在现实的生产中广泛应用。这篇论文主要是通过各个方面对不锈钢的固溶渗氮处理作了充分的阐述，能够使大家充分了解到不锈钢的固溶渗氮远离以与应用。使之能在正常的生产中运行，也为该项技术打下了坚实的理论基础。 2 奥氏体不锈钢固溶渗氮奥氏体不锈钢的高塑性、高耐蚀性、良好的焊接性能、韧性和和低温韧性、无磁性、易加工的优点，使其在石油、化工、食品与医药等行业得到广泛的应用，但由于奥氏体不锈钢的硬度偏低(HV200250)、耐磨性较差，使用受到一定的限制为了提高

59、舆氏体不锈钢的硬度和耐磨性，应用较多的是对奥氏体不锈钢表面进行氮化处理。传统的不锈钢氮化工艺虽然提高了不锈钢的硬度，却在氮化层中析出了氮化物，由于氮化物在奥氏体晶界择优生长，消耗了铬，导致奥氏体基体中的铬减少，结果使不锈钢的耐蚀性下降。采用固溶渗氮工艺不但提高了奥氏体不锈钢的硬度和耐磨性，而且提高了其耐蚀性能。2.1 试验材料与方法2.1.1 试验材料304奥氏体不锈钢和904 L奥氏体不锈钢化学成分见表1从304 板材上切取尺寸为30mmx10mmx4 mm的试样作为渗氮试样，从9O4 L棒材上切取尺寸为直径lO mm×10 mm的试样作为渗氮试样由于奥氏体不锈钢的表面有一层致密的

60、具有保护护性的钝化膜（Cr2O3，NiO2等），阻碍了氮原子的渗入，因此，氮化前将试样表面磨至500砂纸，以去除钝化膜。2.1.2试验方法固溶渗氮实验在图4-1所示的装置中进行。将磨制好的试样放入一端焊接密封好的不锈钢管中，钢管的另一端连接纯氮气瓶。将钢管的密封端伸入到管式电阻炉中，利用插入炉中的热电偶测定固溶渗氮温度。本文对固溶渗氮工艺进行了较为系统的研究，工艺参数的变化围为：固溶渗氮温度900一1150，氮气压力0.1MPa一2MPa，渗氮时间2h一16h对试样的冷却方式采用水冷，为了观察表面氮化物的析出情况，还对1000，1 MPa,8h氮化工艺下的试样进行了随炉冷却将氮化试样的横截面用

61、砂纸依次磨1200 ，抛光后，用王水腐蚀在型号为JSM一6360LV的扫描电镜下观察试样横截面的金相组织用HX-1型显微硬度计测定试样横截面的显微硬度，实验载荷为098 N从表面至心部每隔100m打三个点取其平均值部分试样用DMax-38型x射线衍射仪进行物相分析采用EPMA1600型电子探针在横截面上从表面向部逐点分析氮含量(电子束直径为5m，两点间距离为50 m200m)图4-1 固溶渗氮装置采用CP51综合腐蚀测试仪与三电极体系对氮化后的试样进行耐蚀性的测量，所用溶液为1 molL的稀硫酸。工作电极即待研究试样，辅助电极为超纯铂片，参比电极为饱和甘汞电极，实验所得电位均相对于饱和甘汞电极

62、电位(SCE)，综合腐蚀测试仪的电位量程为一2000 mV+2000 mV。以60 mVmin的速度进行阳极极化扫描为了比较氮化前后的耐蚀性能，切取氮化前后面积一样的试样进行耐蚀试验为了避免缝隙腐蚀发生，采用图4-2所示的封样方法。试样均用砂纸依次打磨至800#。图4-2 极化曲线测定试样制备法2.2 试验结果与分析2.2.1金相组织用扫描电子显微镜观察渗氮层的金相组织经过固溶处理的未渗氮试样为单相奥氏体组织(如图4-3a，4-3c)。渗氮后炉冷试样渗氮层有大量的氮化物在晶界上析出(如图4-3b)，这是由于随炉缓冷条件下，氮在奥氏体中的溶解度下降，氮化物在奥氏体晶界择优生长。水冷试样由于冷却速

63、度比较快，氮化物来不与析出，氮固溶到基体中成为单相奥氏体组织(如图4-3d)。（a）304 固溶处理未氮试样（b）304 炉冷试样（1050，1MPa。8h）（c）904L 固溶处理未氮试样（d）904L水冷试样（1050，1MPa，8h）图4-3 试样表面的金属组织2.3 显微硬度部分试样横截面上的的显微硬度测量结果如图4-4所示。结果表明氮化后试样的显微硬度从表面至心部逐渐降低。904L在1000，1MPa，8h水冷的氮化工艺条件下，表而显微硬度为HV270左右，在距离表面0.5 mm处，其显微硬度与未渗氮试样一样；304在1050，1MPa，12h水冷的氮化工艺条件下，表面显微硬度为HV

64、294左右，在距离表面0.6mm处，其显微硬度与未渗氮试样一样。（a）904 L（b）304图4-4 904L和304奥氏体不锈钢的显微硬度分布2.4 氮浓度分布304渗氮后试样横截面的电子探针测量的氮浓度分布结果如图4-5所示。图4-5(a)为氮气压力1MPa、保温时间4h，不同渗氮温度的氮浓度分布曲线。从图中可以看出，渗氮温度在900至1150变化时。试样表面的氮含量随温度的升高而增加，900时表面氮含量为0.330，1 000时为0.434，1150时为0.563随着渗氮温度的升高，渗氮层的氮浓度分布曲线越来越平缓图4-5(b)为渗氮温度l050、氮气压力1MPa，不同保温时间的氨浓度分

65、布曲线。从图中可以看到，保温时间在2h16h变化时，试样表面氮含量的变化不大，试样表面氮含量都在0.50左右。随着保温时间的延长，其浓度分布曲线越来越平缓。图4-5(c)为渗氮温度为1050、保温时间4h时，不同氮气压力下的氮浓度分布曲线从图4-5(c)中可以看到，氮气压力在0.1MPa2.0MPa变化时，试样表面氮含量随氮气压力的增大而增加，渗氮压力为0.1MPa时，试样表面氮含量为0.165，渗氮压力为1MPa时，试样表面的氮含量为0.96，2.0MPa样表面氮含量可达到0.750随氮气压力的增大渗氮层深度变化不大，其氮浓度分布曲线也比较接近。图4-5 不同氮化条件下的氮浓度分布2.5 X

66、射线分析904L固溶渗氮试样的x射线衍射分析结果如图4-6所示图4-6(a)为1000，1MPa，8h水冷的氮化工艺条件下试样的x射线衍射图，只有r相图4-6(b)为10001MPa，8h氮化工艺条件下炉冷试样的x射线衍射图，除了r相，还出现了CrN相这是由于固溶渗氮试样炉冷时，r相溶氮氮能力下降，结果使表面析出了CrN。水冷由于冷速快，抑制了CrN的析出，氮固溶到奥氏体，使试样表层为单相高氮奥氏体。图4-6 904L固溶渗氮试样的X射线衍射图2.6 极化曲线304奥氏体不锈钢在1molL的硫酸溶液中的阳极极化曲线如图4-7所示。氮化试样的钝态电流密度明显低于未氮化试样，由于金属腐蚀速率与其腐

67、蚀电流密度成正比，因此，可用腐蚀电流密度来表示腐蚀速度的大小。图4-7表明在钝化状态下氮化试样的腐蚀率低于未氮化试样，而且氮化试样的钝态围也比未氮化试样宽，钝化膜破坏电位较未氮化试样高。实验后用放大镜观察氮化后试样表面，无点蚀发生。该极化曲线在1700 mV以上的电流密度突然增大，是由于钝化膜被破坏。图4-7 304奥氏体不锈钢在1mol/L的硫酸溶液中的阳极极化曲线2.7 试验结论2.7.1奥氏体不锈钢经固溶渗氮，渗氮温度在9001 150之间、保温时间在2h16h之间、渗氮压力在01MPa一2MPa之间变化时。表面氮浓度在03300.750之间变化，表面氮浓度随温度的升高而增加，随压力的增

68、大而增加渗氮层深度随时间的延长而增加。2.7.2奥氏体不锈钢固溶渗氮会明显提高其显微硬度。304不锈钢奥氏体的显微硬度由氮化前的HV220左右提高到HV290左右，提高了31.8；904L奥氏体不锈钢的显微硬度由氮化前的HV200左右提高到HV270左右，提高了35.0。2.7.3奥氏体不锈钢经固溶渗氮水冷，表面将形成单相奥氏体；而在炉冷条件下，除了奥氏体相外，表面还析出了CrN相。2.7.4奥氏体不锈钢经固溶渗氮后，获得了优于未氮化试样的耐蚀性能。3 渗氮温度对奥氏体不锈钢性能的形象不锈钢具有表面美观、耐腐蚀性能好、韧性好、容易塑性加工、焊接性能好等特性，广泛用于石油、化工、食品、医疗和纺织

69、机械等行业。但由于不锈钢的硬度低、耐磨性差，使其在许多场合的应用受到限制，尤其是在腐蚀、磨损和重载等多种因素同时存在的条件下，显著缩短不锈钢零件的使用寿命。通过离子渗氮提高不锈钢的表面强度，从而提高其耐磨性能来延长使用寿命是一种有效的方法奥氏体不锈钢不能通过相变进行强化，而且常规离子渗氮由于渗氮温度高(500以上)，渗层中有Cr 的氮化物析出，使基体贫铬，在表面硬度显著提高的同时表面耐腐蚀性能严重恶化，失去了不锈钢的特性。本文利用自行研制的直流脉冲离子渗氮设备，对奥氏体不锈钢进行低温离子渗氮处理，在其耐腐蚀性基本保持不变的情况下提高其表面硬度，从而提高其耐磨性能，同时与常规渗氮温度下的离子渗氮

70、处理试样进行比较。3.1 试验材料与方法3.1.1试验过程试验在自行研制的30kW 直流脉冲离子渗氮炉进行。直流脉冲电源的参数为电压01000V可调，占空比15%85%可调，频率1kHz。测温系统由红外测温仪IT-8 测量。试样的材料为18Cr-12Ni-2.5Mo奥氏体不锈钢，其化学成分(质量分数，%) 为：0.06C，19.23Cr，11.26Ni，2.67Mo，1.86Mn，余为Fe；试样尺寸准24mm×10mm。实验前依次用水磨砂纸打磨试样，去油污，酒精清洗吹干，放到阴极盘的中央，抽真空到50Pa以下。试验分两组进行，一组采用低温离子渗氮方法，即加NH3进行离子渗氮(记为S1

71、)，保温温度为450；另一组采用常规离子渗氮方法，即加NH3进行离子渗氮(记为S2)，保温温度为520。两组实验条件均为：在试样加热到保温温度前采用高电压低气压，加强离子溅射，去除不锈钢表面的钝化层；保温时气压为250300 Pa，电压为650750V，占空比根据温度调整，保温时间均为4 h，保温结束后继续通NH3抽真空保护，自然冷却到室温后开炉，取出试样。3.2 试样表征剖开处理后的试样，依次用水磨砂纸打磨横截面，金相砂纸打磨，抛光机抛光，再用腐蚀液腐蚀(腐蚀液配方为：CuCl2 2g、HCl10g、乙醇10g )。利用HX-1000 型显微硬度计测量试样渗氮层横截面的硬度梯度；通过倒置金相

72、显微镜ICM405 表征试样的渗氮层形貌；耐磨试验是在立轴盘-销式摩擦磨损试验机MPX2000 上进行；耐腐蚀试验是将试样置于0.5mol/LNaCl+ 0.3mol/LHCl 的溶液中，室温(约25)下浸泡24 h 后，用TG328A分析天平称重，用失重率来评价耐腐蚀性能。3.3 结果与讨论3.3.1 显微硬度和金相显微镜检测图5-1为试样S1、S2的渗氮层硬度梯度曲线。由于所得到的渗层比较薄，试验用小的载荷测量准确，采用50g载荷，载荷时间为15s。S1的表面硬度1180HV0.05，S2的表面硬度为1250HV0.05。从图5-1可以看出，试样S1、S2的表面硬度是基体的45 倍。低温离

73、子渗氮(450)得到的渗氮层硬度梯度大；而常规离子渗氮(520)硬度梯度较为平缓，与低温离子渗氮相比，常规离子渗氮层的硬度梯度得到了较大的改善。图5-2为试样横截面渗层金相图，其中图5-2(a)为试样S1的横截面渗层金相图，图5-2(b)为S2的横截面渗层金相图，其渗层深度为65m。图5-1 渗氮层硬度梯度曲线图5-2 渗氮层显微金相图在离子渗氮过程中，保温之前采用高电压(1000V)、低气压(100120Pa)加强离子溅射去除试样表面的钝化层。通过加强离子溅射，可全方位、较均匀地摧毁不锈钢表面的原生钝化膜和再生钝化膜， 活化金属表层和亚表层，使不锈钢表面晶格缺陷或位错密度增加，有利于N的吸附

74、和扩散。由图5-1可以看出，低温离子渗氮，虽然表面也得到高的硬度，但是渗层浅，硬度梯度大。其原因是渗氮温度低，活性N离子少，N离子扩散系数关系式为：D=D0E-Q/RT。式中：D0和Q 为N在Fe 的不同相中扩散的常数。可知，扩散系数与温度密切相关，同时铬与氮元素之间具有很强的亲和力，也限制了氮的扩散，因此低温离子渗氮时得到的渗氮层薄。而当温度升高后，活性N离子多，N离了扩散加快，得到的渗氮层比较厚。从图5-2的渗氮层微观组织来看，试样S1的渗氮层经腐蚀液腐蚀后呈白亮色，没有看到明显的渗氮层；而试样S2的渗氮层经腐蚀液腐蚀后呈黑灰色。说明在450渗氮处理时渗层中没有铬的氮化物析出，低温离子渗氮

75、形成了过饱和奥氏体固溶体；而在520渗氮处理时有铬的氮化物析出。3.3.2 渗氮温度对耐磨性能的影响图5-3为奥氏体不锈钢离子渗氮处理前后耐磨性能的对比图。实验所加载荷为10N，转速为80 r/min，时间为15h。由图5-3可见，经过渗氮处理的奥氏体不锈钢其耐磨性能比未处理时提高了45 倍。低温离子渗氮(S1)由于渗层浅， 其耐磨性能比常规温度下的离子渗氮(S2)稍差。奥氏体不锈钢经离子渗氮后，由于其表面生成了CrN、Cr2N，而CrN比FeN 的生成热高，因而更稳定，硬度也更高，耐磨性能得到了很大的提高。图5-3 奥氏体不锈钢渗氮前后的磨损量3.3.3 渗氮温度对耐腐蚀性能的影响把经过离子

76、渗氮处理和未处理的试样放入0.5mol/LNaCl+0.3 mol/LHCl 溶液中于室温(约25)下浸泡24 h，可明显看到，浸泡经常规温度离子渗氮处理后试样的腐蚀液变为混浊。从腐蚀液中取出试样吹干后用分析天平称出它们的质量，与浸泡前的质量相比，未经渗氮处理、低温渗氮处理和常规温度渗氮处理试样的失重率分别为2.8×10-2、3.0×10-2和6.5×10-2 mg/mm2·h。未经渗氮处理的奥氏体不锈钢由于其表面形成了一层Cr的氧化膜(钝化层)而起到保护基体作用，因而耐腐蚀性好；低温离子渗氮后其耐腐蚀性基本不变，原因是其表面形成了过饱和奥氏体固溶体，没

77、有铬的氮化物析出；而经520渗氮处理的奥氏体不锈钢其耐腐蚀性能有较大的下降，原因是Cr与N的亲和力比Fe 与N 的强，渗层中有大量Cr的氮化物(CrN、Cr2N)析出，使基体贫铬，在表面硬度显著提高的同时表面耐腐蚀性能严重恶化。3.3.4采用低温和常规渗氮温度对奥氏体不锈钢进行离子渗氮，渗氮层的显微硬度均达到1150HV0.05以上，低温离子渗氮得到的渗氮层较薄，硬度梯度大。3.3.5奥氏体不锈钢经过低温离子渗氮后，其耐磨性能提高45倍，而耐腐蚀性基本保持不变；常规渗氮温度下离子渗氮，虽然耐磨性能也提高45倍，但由于奥氏体不锈钢表面有铬的氮化物析出，使其耐腐蚀性能大幅度下降。4 不锈钢固溶渗氮

78、传统的不锈钢渗氮工艺，一般采用的温度为5006OO。保温时间为2550 h，所得的渗氮层深度为0.10.3mm。为提高渗氨层深度，就必须提高温度，加快扩散，并延长渗氮时间。但提高温度，渗氮速度加快，又会使表面层的硬度有所下降。因此渗氮层浅一直是渗氮工艺中存在的问题。而固溶渗氮很好地解决了这一问题，在11001150温度下使渗氮层达2.5 mm。若不锈钢中的奥氏体不稳定，在淬火过程中转变为马氏体，那么固溶渗氮和传统的渗氮工艺有很大的差别，而是与表面淬火更接近。然而根据合金的成分，淬火后也能得到高强度的奥氏体表面层。高硬度的马氏体表面层对不锈钢轴承、工具和齿轮很有利；而高强度和韧性的奥氏体表面层可

79、提高不锈钢件(如液流机械中的泵和阀门等)的耐空气和体的腐蚀性。固溶渗氮成本很低可替代加压冶金或粉末冶金生产的高氮钢。最近这些年，氮是影响高合金钢发展的主要因素。固溶渗氮工艺至少可改变表面层性能。使高合金钢在工业生产中广泛应用。4.1 固溶渗氮工艺原理在固溶渗氮中气氛中氮的活度和溶入钢表面氮的活度之间达到平衡。表面上氮的平衡含量取决于三个因素：渗氮温度TN、氮气分压PN和合金元素的含量c。随温度的升高氮的溶解度增大：随PN的增加，氮的溶解度增大；而合金元素与氮的吸引力增强可提高氮的溶解度。合金元素与氮的吸引力由大到小的顺序依次为：N、C、Si、Al、Ni、Co、Cu、W、Mo、Mn、Cr、Nb、V、Ti。其中Nb、V、Ti对氮的吸引力最大，但几乎不使用，因为在TN下， Nb、V、Ti在钢中的溶解度很低，形成不溶的氮化物析出。因此Cr是主要的合金元素。不锈钢最适于固溶渗氮。氮在钢中的扩散遵守Fick第二定律。表面上氮的浓度随距表面的距离的增大而减小。假如不锈钢无方向性且恒定的扩散，井和浓度无关，那么利用扩散曲线，就可以计算出dN。由于N和cr之间强的吸引力，与纯铁相比，不锈钢